(57)【要約】【課題】低比重のコア層と表皮材とが均一な望ましい状態で一体化された繊維強化熱可塑性樹脂構造体およびその製造方法を提供する。【解決手段】初期密度Ａの不連続繊維強化熱可塑性樹脂をコア層とし、該コア層の少なくとも一面に非膨張性の繊維強化熱可塑性樹脂からなる表皮材を配置して成形用基材を形成し、該成形用基材を加熱し溶融させることによりコア層と表皮材とを一体化させるとともに、コア層中の不連続強化繊維にコア層成形前の形状への復元力を発現させて該コア層が初期密度Ａよりも低い密度Ｂとなるように該コア層を膨張させ、しかる後に、成形用基材を成形型内にセットし、コア層の密度が密度Ｂと初期密度Ａの間の密度Ｃとなるように成形用基材を成形型内でプレス成形することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法、およびその方法により製造された繊維強化熱可塑性樹脂構造体。【選択図】図１
2013198984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱溶融時に膨張性を有する初期密度Ａの不連続繊維強化熱可塑性樹脂をコア層とし、該コア層の少なくとも一面に加熱溶融時に非膨張性の繊維強化熱可塑性樹脂からなる表皮材を配置して成形用基材を形成し、
前記成形用基材を加熱し溶融させることにより前記コア層と前記表皮材とを一体化させるとともに、前記コア層中の前記不連続強化繊維にコア層成形前の形状への復元力を発現させて該コア層が前記初期密度Ａよりも低い密度Ｂとなるように該コア層を膨張させ、
しかる後に、前記コア層が膨張した前記成形用基材を成形型内にセットし、前記コア層の密度が前記密度Ｂと前記初期密度Ａの間の密度Ｃとなるように前記成形用基材を成形型内でプレス成形することを特徴とする、繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項２】
前記コア層中に前記不連続強化繊維がランダムに分散されている、請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項３】
前記コア層の前記不連続強化繊維の数平均繊維長が３〜５０ｍｍである、請求項１または２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項４】
前記コア層成形前の前記不連続強化繊維が、抄紙あるいはカーディング法にて製造された強化繊維マットからなる、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項５】
前記成形型内でのプレス成形の条件により、前記密度Ｃを前記初期密度Ａの１／３倍以上１倍未満の範囲に制御する、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項６】
前記プレス成形におけるプレス圧を５ＭＰａ以下とする、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項７】
前記表皮材の強化繊維が連続繊維からなる、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項８】
前記表皮材として、強化繊維を一方向に引きそろえて熱可塑性樹脂を含浸させた表皮材を用いる、請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項９】
前記表皮材が、強化繊維を一方向に引きそろえて熱可塑性樹脂を含浸させたテープ状基材を積層または編み込んだ板状の表皮材からなる、請求項８に記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記表皮材が、強化繊維織物を含む、請求項１〜９のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記表皮材を、前記コア層の両面に配置する、請求項１〜１０のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記コア層および前記表皮材の少なくとも一方の強化繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維から選ばれる少なくとも１種を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記コア層および前記表皮材の少なくとも一方の熱可塑性樹脂として、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂の少なくとも１種を含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項１４】
前記コア層および前記表皮材の熱可塑性樹脂が同種の樹脂からなる、請求項１〜１３のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法により製造された、前記コア層の密度が前記成形用基材形成時のコア層の初期密度Ａよりも低い繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂構造体およびその製造方法に関し、とくに、構造体肉厚内を低比重化して全体の軽量化をはかりつつ、比較的大型大面積の構造体を、高い機械特性を均一に発現させた状態で容易に製造可能な繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法と、その方法により製造された繊維強化熱可塑性樹脂構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量で高い機械特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂構造体は、種々の分野で適用されている。中でも、強化繊維を含有した熱可塑性樹脂からなるスタンパブル基材を用いて加熱、プレス成形することにより繊維強化熱可塑性樹脂構造体を製造する方法は、比較的大型の構造体を容易に製造可能なことから、軽量、高剛性を求められる各種構造体の製造に採用されている。
【０００３】
この製造方法において、構造体の軽量化特性を保ちつつ高剛性等の高い機械特性を発現させ、かつ構造体表面に所望の意匠性を持たせるためには、内層を低比重の（例えば、発泡体構造の）繊維強化熱可塑性樹脂層からなるコア層とし、表層を中実の比較的薄い繊維強化熱可塑性樹脂層からなる表皮層（スキン層）とした構造が好ましい。
【０００４】
このような構造を実現する技術として、一対の金型間に、表皮材および予熱して厚み方向に５倍以上に膨張した抄造法繊維強化熱可塑性樹脂シートを重ね合うように供給したのち、膨張した抄造法繊維強化熱可塑性樹脂シートが４０〜８０％の厚みになるまで型締、圧縮し、基材繊維強化熱可塑性樹脂シート（コア層）と表皮材を一体化するようにした繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２３８６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、予熱により予め膨張させた（発泡させた）コア材と、表皮材とを、金型内にセットし、コア材の熱で表皮材の接触面を溶融させて、両材を一体化させるようにしているので、一体化の際の表皮材の接触面の溶融にばらつきが生じたり、局部的に接触面の溶融不良が生じたりする可能性がある。そのため、接着不良などの構造体の品質のばらつきや、両層間の接着力の不均一などの問題が生じるおそれがあり、この問題は、製造しようとする構造体が大型大面積になるほど顕在化してくる。
【０００７】
そこで本発明の課題は、比較的大型大面積の構造体であっても、コア層と表皮材とを接着不良等を生じさせることなく均一な接着力をもって一体化でき、低比重のコア層と表皮材とが均一な望ましい状態で一体化され、所望の軽量性と高い機械特性とを容易にかつ確実に発現させることが可能な繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法と、その方法により製造された繊維強化熱可塑性樹脂構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法は、加熱溶融時に膨張性を有する初期密度Ａの不連続繊維強化熱可塑性樹脂をコア層とし、該コア層の少なくとも一面に加熱溶融時に非膨張性の繊維強化熱可塑性樹脂からなる表皮材を配置して成形用基材を形成し、
前記成形用基材を加熱し溶融させることにより前記コア層と前記表皮材とを一体化させるとともに、前記コア層中の前記不連続強化繊維にコア層成形前の形状への復元力を発現させて該コア層が前記初期密度Ａよりも低い密度Ｂとなるように該コア層を膨張させ、
しかる後に、前記コア層が膨張した前記成形用基材を成形型内にセットし、前記コア層の密度が前記密度Ｂと前記初期密度Ａの間の密度Ｃとなるように前記成形用基材を成形型内でプレス成形することを特徴とする方法からなる。ここで、初期密度Ａとは、加熱溶融によるコア層の膨張が行われる前のコア層の密度のことである。
【０００９】
このような本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法においては、まず、膨張前の初期密度Ａの不連続繊維強化熱可塑性樹脂からなるコア層と、該コア層の少なくとも一面に配置される非膨張性の繊維強化熱可塑性樹脂からなる表皮材とからなる成形用基材が形成され、その後に、この成形用基材が、例えば成形型（金型）外にて、加熱され溶融されることにより、コア層と表皮材とが一体化されるとともに、コア層中の不連続強化繊維にコア層成形前の形状への復元力（スプリングバック）を発現させて該コア層が初期密度Ａよりも低い密度Ｂとなるように該コア層が膨張される。すなわち、成形型内にセットされる前の段階にて、密度Ｂとなるように膨張されたコア層と表皮材とが一体化された成形用基材が形成される。この一体化においては、成形用基材全体の加熱により、コア層と表皮材の双方の接触面が溶融されるので、両層間で局部的な溶融不良や溶融のばらつきが発生することが防止され、密度Ｂの低比重のコア層と表皮材とが均一な接着力をもってばらつきのない望ましい状態にて一体化される。この一体化の後に、成形用基材が成形型内にセットされ、コア層の密度が上記密度Ｂと初期密度Ａの間の密度Ｃ（つまり、構造体の所望の軽量化とともに高い機械特性の実現が可能な密度Ｃ）となるように成形用基材が成形型内でプレス成形される。コア層と表皮材とが均一に一体化された状態でプレス成形されるので、成形される構造体も、とくに最終成形形態にて均一な一体化形態と均一な品質を実現できる。そして、最終成形形態にて、初期密度Ａよりは低い所望の密度Ｃの（つまり、所望の膨張倍率とされた）コア層と、膨張されていない表皮材とが一体化された構造体となるので、とくにコア層が所望の低い密度Ｃとされることにより、構造体の所望の軽量化が達成され、コア層が所望の膨張倍率とされてコア層の厚みが膨張前の初期厚みに比べ適切に増大された状態とされることにより、構造体の所望の高い機械特性、とくに肉厚増大に伴う高い剛性が達成される。しかも、上記均一な一体化形態の実現により、これら優れた軽量性と高い機械特性が構造体全体にわたって均一に達成され、均一な品質が実現される。
【００１０】
上記本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法においては、コア層中に上記不連続強化繊維がランダムに分散されていることが好ましい。不連続強化繊維がランダムに分散されていると、成形用基材が加熱、溶融されてコア層中の不連続強化繊維にコア層成形前の形状への復元力が発現されコア層が膨張される際に、コア層全体にわたって均一な膨張が可能になり、また、均一に膨張されたコア層を有する成形用基材がプレス成形される際にも、均一な圧縮が可能になる。その結果、最終成形形態にてより均一な構造体品質の実現が可能になる。
【００１１】
上記コア層の不連続強化繊維の数平均繊維長としては、３〜５０ｍｍの範囲にあることが好ましい。数平均繊維長が３ｍｍ未満では、繊維同士の絡み度合が低くなるため上述の復元力が低くなり、コア層を所望の厚みまで膨張させることが難しくなるおそれがある。逆に、数平均繊維長が５０ｍｍを超えると、不連続強化繊維のランダムな分散が難しくなるおそれがあり、構造体品質の均一性が損なわれるおそれがある。
【００１２】
コア層成形前の不連続強化繊維に望ましい分散性を付与するためには、例えば、熱可塑性樹脂含浸前の該不連続強化繊維が、抄紙あるいはカーディング法にて製造された強化繊維マットからなることが好ましい。抄紙法にて製造された強化繊維マットでは、容易に不連続強化繊維のランダムな分散が得られ、カーディング法にて製造された強化繊維マットでは、容易に不連続強化繊維のランダムな分散を得ることもできるし、分散された不連続強化繊維に意図的に適度の指向性を持たせることもできる。
【００１３】
また、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法においては、成形型内でのプレス成形の条件により、上記密度Ｃを上記初期密度Ａの１／３倍以上１倍未満の範囲に制御することが好ましい。密度Ｃが初期密度Ａの１／３倍未満では、最終形態でのコア層の膨張率が高過ぎ、コア層自体の強度、ひいては構造体の強度を望ましい強度に維持することが困難になるおそれがある。密度Ｃが初期密度Ａの１倍になると、コア層が膨張前の状態まで戻ってしまうので、コア層膨張による構造体肉厚増大の効果がなくなり、該膨張による機械特性向上の効果がなくなる。
【００１４】
上記プレス成形におけるプレス圧は、例えば、５ＭＰａ以下とすることが好ましい。これは、通常、６ＭＰａ以上のプレス圧を加えると、膨張されていたコア層が膨張前の状態まで戻ってしまう可能性がるので、膨張されていたコア層を適切に圧縮するために、プレス圧を適度に制御する必要があるからである。
【００１５】
表皮材の強化繊維としては、とくに限定されないが、表皮材が非膨張性の繊維強化熱可塑性樹脂からなり、最終成形形態で構造体の表層を構成して、コア層と併せて構造体の強度を担うとともに、表層部位として構造体の剛性を支配することから、所望の方向に対して高い剛性（曲げ剛性等）を有することが好ましい。そのためには、表皮材の強化繊維が連続繊維からなることが好ましい。
【００１６】
また、表皮材として、強化繊維を一方向に引きそろえて熱可塑性樹脂を含浸させた表皮材を用いることができる。このような表皮材を使用すれば、比較的大型大面積の構造体であっても、容易に表皮材を所定の位置に配置できるようになる。またこの場合、表皮材として、強化繊維を一方向に引きそろえて熱可塑性樹脂を含浸させたテープ状基材を積層または編み込んだ板状の表皮材からなる形態を採ることができる。このような形態を採用すれば、比較的大型大面積の構造体であっても、容易に表皮材を所定の位置に配置できるとともに、表皮材に望ましい機械特性を容易に付与できるようになる。
【００１７】
また、表皮材として、強化繊維織物を含む形態を採ることができる。このような形態を採用すれば、最終成形形態で構造体の表面に望ましい意匠性を持たせることも可能になる。また、強化繊維織物を含むことにより、構造体の表層を構成する表皮材自体の機械特性をより向上することも可能になるので、構造体全体としての機械特性の向上が可能になる。
【００１８】
また、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法においては、表皮材を、上記コア層の両面に配置することができる。このように構成すれば、適度に膨張された低比重のコア層を非膨張性の２つの表皮材で両側から挟んだ、いわゆるサンドイッチ構造となるので、構造体の軽量性と高い機械特性が一層容易に達成される。
【００１９】
本発明に係る構造体に使用される強化繊維としては、とくに限定されない。例えば、上記コア層および上記表皮材の少なくとも一方の強化繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維から選ばれる少なくとも１種を含む形態とすることができる。中でも、高い機械特性の実現、強度設計の容易性等を考慮すると、炭素繊維を含むことが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係る構造体に使用される熱可塑性樹脂としても、とくに限定されない。例えば、コア層および表皮材の少なくとも一方の熱可塑性樹脂として、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂の少なくとも１種を含む形態とすることができる。
【００２１】
また、コア層および表皮材の熱可塑性樹脂が同種の樹脂からなると、両層の溶融接合による一体化が一層容易に行われる。
【００２２】
本発明は、上記のような方法により製造された、上記コア層の密度が上記成形用基材形成時のコア層の初期密度Ａよりも低い繊維強化熱可塑性樹脂構造体についても提供する。
【発明の効果】
【００２３】
このように、本発明によれば、比較的大型大面積の構造体であっても、適度に低比重のコア層と表皮材とを均一な望ましい状態で一体化でき、所望の軽量性と高い機械特性とを兼ね備えた繊維強化熱可塑性樹脂構造体を、容易にかつ確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法を示す工程フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法を示している。本発明に係る製造方法においては、まず、図１（Ａ）に示すように、例えば抄紙法により製造された強化繊維マットに熱可塑性樹脂を含浸させた、加熱溶融時に膨張性を有する初期密度Ａの不連続繊維強化熱可塑性樹脂からなるコア層形成用基材１（すなわち、初期密度Ａのコア層）の少なくとも一面に（図示例では両面に）、例えば連続強化繊維を一方向に引き揃えて熱可塑性樹脂を含浸させたテープ状基材を編み込んだ板状の部材で、かつ、加熱溶融時に非膨張性の繊維強化熱可塑性樹脂からなる表皮材２が配置されて成形用基材３が形成される。
【００２６】
次に、図１（Ｂ）に示すように、コア層形成用基材１の両面に表皮材２を配置した成形用基材３が、例えば、加熱手段としてのヒータ４、４間に位置されて、ヒータ４、４による加熱により、成形用基材３の全体が加熱され溶融される。この加熱、溶融ではコア層形成用基材１と表皮材２の双方の接触面が全面にわたって溶融されるので、コア層形成用基材１と表皮材２は均一な接合状態で一体化される。このとき同時に、図１（Ｃ）に示すように、コア層形成用基材１中の不連続強化繊維に該基材成形前の形状への復元力が発現され、該復元力（スプリングバック）を介して、上記初期密度Ａよりも低い密度Ｂとなるようにコア層形成用基材１が膨張されて、膨張された密度Ｂのコア層５が形成される。このとき、非膨張性の繊維強化熱可塑性樹脂からなる表皮材２は実質的にそのままの形態に維持される。
【００２７】
次に、密度Ｂとなるようにコア層５が膨張した上記成形用基材３が、図１（Ｄ）に示すように、成形型としての金型６内にセットされる。しかる後に、図１（Ｅ）に示すように、金型６が閉じられて型締めされ、金型６のキャビティ７内で５ＭＰａ以下のプレス圧にて成形用基材３に対してプレス成形が行われる。このプレス成形により、コア層５の密度が上記密度Ｂと前記初期密度Ａの間の密度Ｃとなるように圧縮されて、密度Ｃのコア層８とされ、キャビティ７の形状に沿った所定形状の繊維強化熱可塑性樹脂構造体９が成形される。このプレス成形の後、金型６を開いて、所定形状に成形された繊維強化熱可塑性樹脂構造体９を取り出せばよい。
【００２８】
上記のような成形においては、前述したように、金型６内にセットされる前の段階にて、密度Ｂとなるように膨張されたコア層５と表皮材２とが一体化された成形用基材３の形成においては、成形用基材３全体が加熱され、コア層形成用基材１と表皮材２の双方の接触面が全面にわたって溶融されるので、両層間で局部的な溶融不良や溶融のばらつきが発生することが防止され、密度Ｂの低比重のコア層５と表皮材２とが均一な接着力をもってばらつきのない望ましい状態にて一体化される。このように均一に一体化された状態でプレス成形されるので、成形される構造体９も最終成形形態にて均一な一体化形態となり、均一な品質が実現される。
【００２９】
そして、最終成形形態にて、初期密度Ａと密度Ｂの間の所望の密度Ｃのコア層８と、膨張されていない表皮材２とが一体化された繊維強化熱可塑性樹脂構造体９が成形されるが、とくにコア層８が目標とする所望の低い密度Ｃとされることにより、構造体９の所望の軽量化が達成されるとともに、コア層８の適切な厚みが確保されていることにより、構造体９の所望の高い機械特性、とくにコア層８の適切な厚みによる高い剛性が達成される。しかも、これら優れた軽量性と高い機械特性が構造体９の全体にわたって均一に達成され、構造体９の全体にわたって均一な品質が実現される。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体およびその製造方法は、軽量性と高い機械特性がされるあらゆる繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造に適用可能であり、とくに、比較的大型大面積の構造体の製造に好適である。
【符号の説明】
【００３１】
１  コア層形成用基材（初期密度Ａのコア層）
２  表皮材
３  成形用基材
４  加熱手段としてのヒータ
５  密度Ｂのコア層
６  成形型としての金型
７  キャビティ
８  密度Ｃのコア層
９  繊維強化熱可塑性樹脂構造体
【図１】
2013198984.tif 000003